建筑结构体系初探

建筑结构体系初探结构是建筑的骨架，是建筑赖以生存的物质基础，不同的建筑功能要求，要求建筑采用不同的结构型式与体系。按其采用主要承重材料的不同，结构可分为钢结构、木结构、砖石结构、混凝土结构；按组成结构单元的几何尺度与线、面、体的不同，结构可分又为杆件结构，薄壁结构和实体结构；按结构承荷传力的单向或多向不同，结构可分为平面结构与空间结构。小空间的低层与多层房屋，多采用砖混建筑结构。因其空间不大，可采用钢、木、钢筋混凝土作楼屋盖，而用砖石作承重墙，柱。空间稍大、层数较多，尤其在地震区的多层和高层建筑多采用混凝土或钢材的框架、框架—剪力墙、剪力墙、筒体等结构。大空间的单层或多层房屋，多采用中跨与大跨建筑结构。用各种建筑材料作梁，桁架，排架，拱，壳、折板、网架、网壳、悬索等结构。大跨度结构在桥梁上的应用是很典型的，很多大跨度结构型式也同样被应用于建筑结构，如大型桁架、预应力大梁、大跨度拱、悬索等。随着建筑材料和建筑技术的发展，越来越多的原来只在桥梁中使用的结构，在建筑中也得到了广泛的使用。选择什么样的结构，要根据建筑的要求来确定。从宏观上看，跨度与高度是选择结构的主要依据，由于跨度与高度的变化，结构形式会产生较大的差异。但是在同样的跨度与高度前提下，并不是仅仅存在一种可以选择的结构，这是就要考虑多方面的因素，包括适用功能、美观效果与经济性等多方面。结构设计是极其复杂的，力学计算仅仅是对于结构的计算简图与荷载简化模式的分析，实际结构的受力状况存在着大量的被忽略的内容。因此作为结构工程师，不能简单的依靠力学分析，更不能依靠计算机的计算结果，而应该根据力学与结构的基本概念，把握结构设计中宏观的结构体系与概念原则。这种宏观的结构体系与概念原则，就是结构设计中所体现的概念设计原则。尤其对于结构的抗震设计，概念原则更为重要。结构的经济性、效率与构件的形式经济性与效率是现代设计的关键问题，也是价值工程的焦点——以最少的投入，获得最高的产出。在进行结构设计时也是同样，结构工程师要根据建筑师对于建筑空间的要求，以最简洁的结构与用材满足其要求，这就要求结构工程师能够精确的把握力学、材料以及施工工艺等多方面的知识与技巧，才能达到这一目的。结构的经济性在满足规范要求的坚固与安全前提下，结构工程师要全面综合考虑建筑物在施工与使用期间，所有一切因素所产生的经济效果。很难设想，一个不经济的结构能称得上好的设计。如前面设计原理所提到的，恰当的选择结构形式与构件尺度，是体现结构工程师专业水准的重要标志。一个建筑物的经济性通常包括下列三大方面：首先，建筑物的静态成本，即通常一般人们所认为的经济性概念。虽然建筑物的成本费用，随时间、地点，建材生产与施工技术水平而不断变化，但在一定的时期与范围内，这些费用是相对固定的。建筑物的静态成本，主要包括土建费用与建筑设备费用。它们与生产水平、施工技术、劳动效率等密切相关，先进的工业化国家的机械化程度高，材料价格低于劳力价格，所以大量采用预制装配化程度高的钢结构、预应力混凝土结构。发展中国家的劳力价格低于材料价格，故使用大量人力与小型机具施工，多采用砖石与钢筋混凝土结构。当然造价也受到其他如抗震、防火等次要因素的影响。另外，造价也受建筑、结构、设备三专业的相互影响，不能专注于降低某一专业的造价，而不顾其他两专业的造价。其次，建筑物的动态成本，即建筑物投入使用后，为保证其适用功能而进行的维护、修缮费用。节省一次投资而造成长期维修成本高昂投入，或者其他连续性的问题的工程例子是很多的。维修成本包括建筑构造与结构的维护费（如露面钢材需要除锈刷漆等的保养与维修费）和保持正常使用环境（如采光、空调等）的能源与材料消耗费用。另外，动态成本还应包括早日竣工投产、收回投资、加速资金周转等因素在内。第三，建筑物的广义成本，即由于建筑物所产生的社会与环境问题及其成本。虽然建设成本问题并不是大多数结构设计者所要考虑的，这属于投资决策问题。但在某些特殊问题上，结构工程师的选择是极其关键的。正如桥梁设计中桥高的选择一样：较高的桥面高度会带来巨大的投资增加；而较低矮的桥面高度虽然成本相对低廉，但会限制大型船只在桥下的通行，造成运输障碍。现在很多海湾都谋求建设跨海大桥，桥面的高度控制就是十分关键的建筑结构——社会效益问题，低矮的桥面可能使某些港口资源不能被充分的利用。结构本身的投资是一个复杂的问题，在钢结构与混凝土结构的选择过程中，尤其体现了这一点。这种投资比较不能是简单的、静态的、孤立的过程，一个成熟的设计师要在直接的材料成本、施工工艺成本、空间使用效率、建筑设备的协调、维修维护的费用、意外事件的安全性甚至拆除成本与回收价值等多方面来探讨结构的选择问题。这没有一个唯一的答案，不同的建筑所处的情况与环境不同，结论也大相径庭。C

延伸阅读：建筑经济学结构的效率所谓结构的效率是指结构所固有合理性——结构对于所承接的荷载进行传递时，其简洁性、实用性与可靠性。建筑结构的最直接的目的是形成人工环境的空间体系，为此，结构构件以各种不同方式跨越空间，靠静力平衡来抗衡荷载并传递荷载，最终把力传到基础与地基上，这是结构设计的最基本任务。简捷有效的传力体系是设计的目标，为取得最高的承载效率，要做到：1.提高传力的效率——一切荷载应尽可能的以最短路线取得平衡并传到地基；2.保证材料的效率——一切结构材料应发挥出最大强度潜力，以抗衡荷载。结构设计就是遵循着这些内在而必然的客观规律向前发展、不断进步、永无止境。自古至今，无论中外，一概如此，这是推动结构发展的内在规律。这些规律的中心是如何用材，即提高并发挥结构材料的最大效率。传力效率从长期实践验证中积累的经验，总结出一条最为基本的原理：传力不能走“弯路”——结构上的所有荷载，最佳传递路径是能被支座反力直接平衡——即从荷载作用点通过结构构件、支座到达地基的传力路线越短，则构件用料越少、结构自重越轻、经济效率也越好。由此出发，来改进、寻求、探索更经济合理的结构型式。根据结构承荷传力路线的长短，其荷载平衡方式有直接平衡、间接平衡与迂回平衡三种。1.直接平衡——既然荷载应以最短、最直接途径来达到平衡，那么二力平衡是最直接的平衡。如轴心受压柱中，荷载直接沿柱轴线以最简单，最直接，最短途径传入地基、达到平衡。严格地按照力的最短途径来确定构件外形应是最经济方式，但在建筑中却很不现实，因形成跨度是结构的基本要求，而跨度的支座两端距离较大，外荷载与支座反力并不共线，总要走一定“弯路”才能传到支座上去。因此，建筑中的承荷传力很少以这种最直接平衡方式出现，而更经常以间接，甚至迂回平衡方式实现。但是，力的间接或迂回传递，就意味着降低效率，付出代价与提高造价。一个设计者必力迹线的走向与分布是布置格构杆件的依据原则，使杆件尽量处于受拉的主应力迹线上，可以获得最大的受力效果。同时，为加大侧向刚度——压杆（墙、柱、撑、拱等）存在压曲失稳、拉杆（拉杆、悬索等）存在过于细长会柔软与颤动，平面结构（梁、柱、刚架、拱索等）存在过于单薄，要增设空间支撑或加大截面宽度。综合抗弯与侧向刚度双重需要，为加大截面的高度与宽度，为材尽共用、把材料用到远离截面形心的上下与左右边缘、遂成格构式结构。构件格构化后的杆件，都是仅承受轴向拉力或压力的二力杆或起到稳定性的杆件。桁架是典型代表，可以使用桁架组成各种空间结构形式，达到设计目的。构件的合理性是相对的，受力合理只是其中的一个方面。矩形截面梁，受力有不合理的一面，但是它的外形简单，制作方便，又有其合理的一面。在小跨度范围内，矩形曲面梁仍是广泛应用的构件型式之一。梁、刚架、拱、索是最基本的四种结构型式，各类结构各有自己的跨度适用范围。一般情况下，应用最广，最常见、也最基本的梁多用于小跨，用于中跨的梁应与柱刚接形成刚架。索用于大跨。而拱，由于它宜于用砖、石、混凝土等耐压材料，故应用范围极广，能用于小跨，中跨以至大跨。另外，结构型式的优选组合应该大大提倡。这种工程实例很多，其中美国雷里竞技馆（Raleigh,1953年）的结构体系就应该值得称颂。它是悬索结构和拱式结构的组合，是世界最早的双曲抛物面悬索屋盖。屋盖采用